(57)【要約】【課題】  ラミネート外装電池を有するバッテリパックや組電池における過電圧状態のセルの発生を容易に検知する。【解決手段】  複数のラミネート外装電池１００をその厚さ方向に積層し、このようなラミネート外装電池の積層体において、隣接するラミネート外装電池間の積層面のいずれか１つに圧力センサ１２０を挿入して、その積層面に作用する面圧（接触圧）を計測する。検出された接触圧がしきい値を超えている場合に、少なくとも１つのラミネート外装電池で過電圧が発生していると判別する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のラミネート外装電池をその厚さ方向に積層した積層体を構成する少なくとも１つのラミネート外装電池における過電圧の発生を検出する過電圧検出方法であって、
前記積層体内での前記ラミネート外装電池間の少なくとも１つの積層面における接触圧、あるいは、前記積層体と前記積層体を保持する保持部材との当接面における接触圧を検出し、
前記接触圧が所定のしきい値を超えている場合に、過電圧が発生したものと判断する、過電圧検出方法。
【請求項２】
ラミネート外装電池における過電圧の発生を検出する過電圧検出方法であって、
ラミネート外装電池と前記ラミネート外装電池を保持する保持部材との当接面における接触圧を検出し、
該接触圧が所定のしきい値を超えている場合に、過電圧が発生したものと判断する、過電圧検出方法。
【請求項３】
前記保持部材は、過電圧が発生しない状態において所定の接触圧が前記ラミネート外装電池の積層方向に沿って前記積層体に加わるように前記積層体を固定する、請求項１または２に記載の過電圧検出方法。
【請求項４】
複数のラミネート外装電池をその厚さ方向に積層した積層体を構成する少なくとも１つのラミネート外装電池における過電圧の発生を検出する過電圧検出装置であって、
前記積層体内での前記ラミネート外装電池間の少なくとも１つの積層面、あるいは、前記積層体と前記積層体を保持する保持部材との当接面に配置され、前記積層面あるいは前記当接面における接触圧を検出する圧力センサと、
前記接触圧が所定のしきい値を超えている場合に、過電圧が発生したものと判断する判別手段と、
を有する過電圧検出装置。
【請求項５】
前記保持部材は、過電圧が発生しない状態において所定の接触圧を前記ラミネート外装電池の積層方向に沿って前記積層体に加わるように前記積層体を固定する、請求項４に記載の過電圧検出装置。
【請求項６】
複数のラミネート外装電池がその厚さ方向に積層した積層体と、
前記積層体を収容するとともに、過電圧が発生しない状態において所定の接触圧を前記ラミネート外装電池の積層方向に沿って前記積層体に加わるように、前記積層体を固定して保持する電池ケースと、
前記積層体内での前記ラミネート外装電池間の少なくとも１つの積層面、あるいは、前記積層体と前記電池ケースとの当接面に配置され、前記積層面あるいは前記当接面における接触圧を検出する圧力センサと、
前記接触圧が所定のしきい値を超えている場合に、過電圧が発生したものと判断する判別手段と、
前記過電圧が発生したと判断された場合に、前記各ラミネート外装電池への充放電経路を遮断する遮断手段と、
を有するバッテリパック。
【請求項７】
前記ラミネート外装電池はリチウムイオン二次電池である、請求項６に記載のバッテリパック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池における過電圧を検出する方法及び装置に関し、特に、ラミネートによって外装された二次電池における過電圧を検出する方法及び装置と、そのような方法によって過電圧セルの発生を検知できるようにしたバッテリパックとに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池が幅広く使用されるようになってきており、ハイブリッド電気自動車などにおける電動機駆動のための電源としても、これらの二次電池が使用されるようになってきている。
【０００３】
電動機駆動などの電力用途では、高電圧、大電流を供給できることが要求される。しかしながら、二次電池の単位セル（単位電池）が出力する電圧は、例えばリチウムイオン電池では３．６Ｖであるなど、二次電池の種類によって決まる比較的低い電圧である。また、単位セルが安定して動作できるようにするためには単位セル自体をそれほど大きくすることはできないから、単位セルから出力できる電流も、電動機などに駆動に要求される電流の大きさに比べて小さくなっている。また、１個の単位セルで実現できる容量値も限界がある。そこで、所要の電圧、電流あるいは容量値が得られるようにするために、二次電池の複数個の単位セルを並列及び／または直列に接続して、組電池を構成することが一般的である。以下の説明において、二次電池のセルの複数を接続したものを組電池といい、組電池を容器内に収納したものバッテリパックと呼ぶ。バッテリパックには、バッテリパックを構成する組電池に対する充放電を管理するための制御回路などが内蔵されることもある。
【０００４】
複数のセルを有するバッテリパックなどの組立体において、容積あたりの電池容量を大きくするためには、その組立体内でセルが実効的に占める容積を大きくすることが有効であり、そのためには、セルを集積した際にセル間に形成される隙間が小さいことが好ましい。また、セルの外装等による質量の増加も抑えることが好ましい。軽量かつ薄型であって、空間利用効率を高めることができる電池として、例えば特許文献１（特開２００２−２０３５２４）には、アルミニウムなどの金属層と熱溶着性の樹脂層とを接着剤層を介して重ね合わせて薄いラミネートとしたラミネート材を外装体に用いた電池が開発されている。このようなラミネート材は、一般に、アルミニウム等の薄い金属層の両表面を薄い樹脂層で被覆した構造をなしており、酸やアルカリに強く、かつ、軽量で柔軟な性質を有するものである。
【０００５】
図１は、ラミネート材を外装体とする平型電池すなわちラミネート外装電池１００の一例を示している。ここでは、リチウムイオン電池として構成された平型電池が示されている。ラミネート材からなる外装体１０１内には、正極及び負極をセパレータで挟んで積層した電極群と電解液とが密封収納されている。外装体１０１の一辺からは正極に接続された正極用電極端子１０３が延出しており、また、正極用電極端子１０３が延出している辺に対向する辺からは、負極に接続した負極用電極端子１０４が延出している。
【０００６】
このようなラミネート外装電池１００は、所望の電圧、電流、容量値を達成するために、複数個をその厚さ方向に積層するともに、これら複数個のラミネート外装電池を直列及び／または並列に接続してバッテリパックとしている。
【０００７】
図２は、ラミネート外装電池をセルとして用いるバッテリパックを説明する断面図である。図示したものでは、６個のラミネート外装電池１００を積層して１組とし、このように積層した組の複数を電池ケース１１０内に収容している。ラミネート外装電池間の配線形態は、所望の電圧値や容量値に応じて各種のものが考えられるので、図２では示していない。電池ケース１１０の底板１１１は、積層されたラミネート外装電池のうちの最下層のものの底面と当接し、電池ケース１１０の天板１１２は、積層されたラミネート外装電池のうちの最上層のものの上面と当接している。電池ケース１１０内でラミネート外装電池１００が適正に保持され固定されるように、すなわちラミネート外装電池１００の積層形状が変形したり個々の電池が動いたりするのを防止するために、電池ケース１１０の底板１１１と天板１１２との間隔は、各ラミネート外装電池１００の厚さと積層数に応じて定められるとともに、電池ケース１１０内にラミネート外装電池を収納してバッテリパックを組み立てる際に、底板１１１及び天板１１２の少なくとも一方を電池ケース１１０の本体にネジ止めする際にトルク管理を行い、ラミネート外装電池１００相互の積層面における面圧すなわち接触圧が所定の範囲となるようにしている。この面圧は、例えば、２．５Ｎ／ｃｍ2程度のものである。
【０００８】
ところで、セルを直列に接続することによって単位セルの端子間電圧より大きな電圧を出力するようにした組電池（あるいはバッテリパック）においては、充電は、その組電池を構成するセルの直列接続における最低電位端子と最高電位端子とを充電用電源に対して接続することによって行われる。しかしながら組電池を構成するセルにおける特性のばらつきなどの影響により、セルごとに充電状態や残存容量にばらつきが生じる。そのため、数十あるいは数百のセルを有する組電池では、過充電や過放電となるセルが発生しないようにしつつ組電池全体としての電池容量を有効に利用するためには、組電池の両端の電圧を監視して充放電の制御を行うだけでは不十分であり、各セルごとにあるいは数個のセルをまとめたものごとに、端子電圧を測定して、個々のセルごとのあるいは数個のセルごとの充電状態等を把握する必要がある。このような組電池からなるバッテリパックには、各セルごとにあるいは数個のセルをまとめたものごとにその端子電圧を測定する測定回路と、測定回路での測定結果に応じてバッテリパックへの充放電を制御する制御回路とが組み込まれることが多い。
【０００９】
また、組電池においては、セル間での特性のばらつきや不良セルの発生などにより、組電池全体としては完全充電に至っていない場合であっても、特定のセルにおいては過電圧が発生する場合がある。二次電池において過電圧が発生すると、電解液の分解などが起こり、電解液漏れや二次電池の破裂などの原因となる。過電圧状態のセルが発生しないように組電池を維持すること、また、過電圧状態のセルが発生した場合には速やかに検出できることが必要となる。バッテリパックに組み込まれた上述した測定回路で測定される端子電圧に基づいて過電圧の発生を検知することもできるが、例えば、特許文献２（特開２００１−１０２０９２）、特許文献３（特開平８−１４２８０）、特許文献４（特開平８−１４０２７２）には、過電圧状態のセルの内部では電解液の分解などのために圧力が上昇することに基づき、セル内部に圧力センサを設け、その圧力センサからの検出結果に基づいて、過電圧状態のセルの発生を検知するようにした組電池（バッテリパック）が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２０３５２４号公報
【特許文献２】特開２００１−１０２０９２号公報
【特許文献３】特開平８−１４２８０号公報
【特許文献４】特開平８−１４０２７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、バッテリパックあるいは組電池における過電圧状態のセルの発生は、充放電制御のためにセルごとあるいは数個のセルをまとめたものごとに端子電圧を測定するための測定回路を用いて、検出することができる。しかしながら、電解液の漏洩やセルの破裂などを防止するためには過電圧状態のセルは確実に検出できることが必要であり、その観点からは、充放電制御のための端子電圧測定回路とは別個に、過電圧状態のセルの検出を行えるようにすることが好ましい。特に、端子電圧測定回路などに障害が発生した場合であっても、危険予防のために、過電圧状態のセルの発生を検出できるようにすることが好ましい。
【００１１】
セルの内圧を測定することで過電圧状態のセルを検出する方法は、充放電制御のための端子電圧測定回路からは独立して実行できるので、その点では優れているが、いずれかのセルでの過電圧状態の発生の検出のためには、全てのセルにおいて内圧を測定することが必要となり、各セル内に圧力センサを設けなければならなくなるので、数百個のセルを組み合わせたバッテリパックにおいては、コスト面や製造面から、現実的な方法であるとはいえない。
【００１２】
そこで本発明の目的は、バッテリパックや組電池における過電圧状態のセルの発生を容易に検知することができる過電圧検出方法及び装置と、そのような過電圧検出方法によって保護されたバッテリパックとを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の過電圧検出方法は、複数のラミネート外装電池をその厚さ方向に積層した積層体を構成する少なくとも１つのラミネート外装電池における過電圧の発生を検出する過電圧検出方法であって、積層体内でのラミネート外装電池間の少なくとも１つの積層面における接触圧、あるいは、積層体と積層体を保持する保持部材との当接面における接触圧を検出し、接触圧が所定のしきい値を超えている場合に、過電圧が発生したものと判断する。
【００１４】
本発明の別の過電圧検出方法は、ラミネート外装電池における過電圧の発生を検出する過電圧検出方法であって、ラミネート外装電池とラミネート外装電池を保持する保持部材との当接面における接触圧を検出し、接触圧が所定のしきい値を超えている場合に、過電圧が発生したものと判断する。
【００１５】
本発明の過電圧検出装置は、複数のラミネート外装電池をその厚さ方向に積層した積層体を構成する少なくとも１つのラミネート外装電池における過電圧の発生を検出する過電圧検出装置であって、積層体内でのラミネート外装電池間の少なくとも１つの積層面、あるいは、積層体と積層体を保持する保持部材との当接面に配置され、積層面あるいは当接面における接触圧を検出する圧力センサと、接触圧が所定のしきい値を超えている場合に、過電圧が発生したものと判断する判別手段と、を有する。
【００１６】
本発明のバッテリパックは、複数のラミネート外装電池がその厚さ方向に積層した積層体と、積層体を収容するとともに、過電圧が発生しない状態において所定の接触圧をラミネート外装電池の積層方向に沿って積層体に加える電池ケースと、積層体内でのラミネート外装電池間の少なくとも１つの積層面、あるいは、積層体と電池ケースとの当接面に配置され、積層面あるいは当接面における接触圧を検出する圧力センサと、接触圧が所定のしきい値を超えている場合に、過電圧が発生したものと判断する判別手段と、過電圧が発生したと判断された場合に、各ラミネート外装電池への充放電経路を遮断する遮断手段と、を有する。
【００１７】
本発明は、ラミネート外装電池の外装が可撓性を有し、電池内部の電解液が分解する程度の過電圧が印加された場合には、電解液が分解した生成する気体により外装が膨らむことに着目してなされたものである。外装が膨らんだことを接触圧の増大として検出することにより、ラミネート外装電池における過電圧を検出できる。
【００１８】
特に、複数のラミネート外装電池を積層して積層体を構成した場合には、いずれか１つのラミネート外装電池において過電圧が発生して外装が膨らむことにより、その積層体におけるラミネート外装電池間の各積層面、および積層体を保持する保持部材と積層体との接触面のすべてにおいて、接触圧が増大することになる。この接触圧の増大は、ラミネート外装電池間の少なくとも１つの積層面、あるいは、積層体と電池ケースとのいずれかの当接面に圧力センサを配置しておけば検出することができる。その結果、積層体ごとに１つの圧力センサを設けておけば、多数のラミネート外装電池からなる組電池やバッテリパックにおいても確実に過電圧の発生を検出できるようになる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、ラミネート外装電池の外装が膨れたことによる接触圧の増大を検出するだけで、電解液の分解を伴うような過電圧を確実に検出できるようになる、という効果がある。特に、複数のラミネート外装電池を積層して積層体を構成した場合には、積層体ごとに１箇所で接触圧を計測することによって、その積層体内での過電圧セルの発生を確実かつ容易に検知することができる。これにより、過電圧検出のためのセンサの数を大幅に削減することが可能になる。また、本発明による過電圧セルの検出は、各ラミネート外装電池の端子間電圧の測定とは別個に行われるため、充放電制御のために端子間電圧を監視して過電圧検出を行っている場合には、過電圧検出のための二重の検出手段が構成されることになり、過電圧に伴う電池の損傷などをより確実に防止できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。図３は、本発明に基づく過電圧検出方法の原理を説明する斜視図である。
【００２１】
本発明では、組電池あるいはバッテリパックを構成する電池として、ラミネート外装電池を用いることを前提とする。そして、複数のラミネート外装電池１００をその厚さ方向に積層し、このようなラミネート外装電池の積層体において、隣接するラミネート外装電池間の積層面（当接面）のいずれか１つに圧力センサ１２０を挿入して、その積層面に作用する面圧（接触圧）を計測する。上述したようにラミネート外装電池１００の積層体は電池ケース内に収容されるとともに、その積層面における面圧すなわち接触圧が所定の範囲となるようにトルク管理がなされているから、ラミネート外装電池１００が正常な状態にあるときには、圧力センサ１２０が示す圧力値は、その管理された面圧値となっているはずである。
【００２２】
ここで、積層されたラミネート外装電池１００のいずれかにおいて過電圧が発生したものとする。過電圧の程度としては、軽微なものや重大なものなど種々のものが考えられるが、二次電池における液漏れや破裂に結びつくような重大な過電圧の場合には、二次電池内の電解液の分解が起こり、二次電池内に気体（多くの場合、水素）が発生する。ラミネート外装電池１００において過電圧が発生して電池内部で気体が発生すると、電池の外装であるラミネートは可撓性を有するため、発生した気体の分だけ、ラミネート外装電池１００の全体が膨張することになる。電池ケース内のいずれかのラミネート外装電池１００が膨張した場合、上述したようにラミネート外装電池１００の積層体は電池ケース内で、積層体の高さが変わらないように固定されているから、結果として、ラミネート外装電池１００の積層面における面圧が上昇することになる。この面圧の上昇によって、圧力センサ１２０が検出する圧力値も上昇する。したがって、圧力センサ１２０の検出する圧力値の上昇を検出することにより、具体的には、圧力センサ１２０の検出する圧力値が予め定めたしきい値を超えた場合に、その圧力センサ１２０が挟み込まれた積層体を構成するいずれかのラミネート外装電池１００において、電解液の分解を伴うような過電圧が発生したものと判断することができる。
【００２３】
なお、周囲温度の変化に起因して電池ケースが膨張あるいは収縮し、その影響によってラミネート外装電池１００の積層面における面圧が変化することも考えられるが、この熱膨張による面圧の変化は実際には微小であり、したがって、本実施形態の方法によれば、周囲温度の変化などによらず、ラミネート外装電池１００を有するバッテリパックにおける過電圧セルの発生、特に電解液の分解を伴うような過電圧セルの発生を確実に検知できるようになる。
【００２４】
図４は、本発明の実施の一形態のバッテリパックの構成を示している。ここでは、６個のラミネート外装電池１００を積層して１組とし、このように積層した組の複数を電池ケース１１０内に収容している。このバッテリパックは、図２に示したものと同様のものであるが、隣接するラミネート外装電池１００間の積層面のうちの１つに、その積層面での面圧を測定するための圧力センサ１２０が、両側のラミネート外装電池１００に挟まれるように設けられている。圧力センサ１２０としては、例えば、圧電素子を用いたものなどを用いることができる。圧力センサ１２０は、ラミネート外装電池１００の相互間の積層面ではなく、電池ケース１１０の底板１１１と積層されたラミネート外装電池１００のうちの最下層のものとの当接面に配置してもよく、あるいは、電池ケース１１０の天板１１２と積層されたラミネート外装電池１００のうちの最上層のものとの当接面に配置してもよい。図示されたものでは、電池ケース１１０は、複数個のラミネート外装電池１００と圧力センサ１２０とが密着して積層するようにこれらラミネート外装電池１００及び圧力センサ１２０を保持する押さえ部材として機能することになる。
【００２５】
図５は、バッテリパックの電気回路としての構成の一例を示す回路図である。
【００２６】
バッテリパックは、複数の二次電池のセルからなる組電池の他に、その組電池に対する充放電制御回路などを含んでいるが、以下に説明するように、本実施形態のバッテリパックは、ラミネート外装電池１００の積層面に配置された圧力センサ１２０からの圧力検出値に基づいて過電圧セルの発生を検知する過電圧検出回路も備えている。
【００２７】
ラミネート外装電池１００の複数個を直列に接続することによって組電池１５１が構成されている。組電池１５１には、充放電管理用に、数個のセル（ラミネート外装電池）をまとめたものごとの端子電圧を測定する電圧測定部１５２が接続している。組電池１５１の正極は、充放電制御回路１５３及び遮断回路１５４を経由して、バッテリパックの正側端子１５５に接続している。組電池１５１の負極は、直接、バッテリパックの負側端子１５６に接続している。充放電制御回路１５３は、そこを通る電流を制御することによって、組電池１５１の充放電を制御するものであるが、特に、電圧測定部１５２での電圧測定結果に応じて、組電池１５１への充電電流を制御する。遮断回路１５４は、緊急時等に、バッテリパックの正側端子１５５と組電池１５１とを電気的に切り離すものである。電圧測定部１５２での電圧測定結果は、組電池１５１の充電状態を表す状態信号として、バッテリパックの状態出力端子１５７にも供給されている。
【００２８】
判別回路１５８は、上述したように組電池１５１を構成するラミネート外装電池１００の積層面に配置された圧力センサ１２０からの圧力検出信号を受信し、積層面での面圧が所定のしきい値を超えたかどうかを判定する。判別回路１５８は、検出された面圧が所定のしきい値を超えた場合に、警報信号を、遮断回路１５４に出力するとともに、バッテリパックの警報出力端子１５９にも出力する。判別回路１５８は、圧力センサ１２０による圧力検出値が所定のしきい値を超えない場合には警報信号を出力しない。
【００２９】
このようなバッテリパックでは、組電池１５１を構成するラミネート外装電池に過電圧が発生していない場合には、圧力センサ１２０での圧力測定値もしきい値以内であるので、判別回路１５８からは警報信号は出力せず、したがって、遮断回路１５４は導通状態のままであり、組電池１５１に対しては通常の充放電がなされることになる。これに対し、組電池１５１内のいずれかのラミネート外装電池で過電圧が発生し、圧力センサ１２０での圧力検出値がしきい値を超えると、判別回路１５８から警報信号が出力され、この警報信号によって遮断回路１５４は遮断状態に遷移する。その結果、組電池１５１は電気的に外部回路からは切り離された状態となり、さらに過充電などが進行することによるラミネート外装電池における液漏れや破裂を防止することができる。また、警報信号は警報出力端子１５９を介して外部回路にも伝達されるので、外部回路側で適切な処理を実行することも可能になる。
【００３０】
このバッテリパックでは、充放電制御のために電圧を測定する電圧測定部１５２とは別個に圧力センサ１２０及び判別回路１５８を設けているので、電解液の分解を伴うような重度の過電圧は二重に検出されるので、より確実に過電圧を検出できるようになる。充放電制御回路１５３が充電電流を適切に制御できないような障害が発生した場合であっても、遮断回路１５４によって過充電の進行を確実に防止することができる。すなわち、過電圧、過充電に関して二重の防止手段が構成されたことになる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】ラミネート外装電池の構成を示す斜視図である。
【図２】ラミネート外装電池からなる従来のバッテリパックを説明する断面図である。
【図３】本発明に基づく過電圧検出方法の原理を説明する斜視図である。
【図４】本発明の実施の一形態のバッテリパックを説明する断面図である。
【図５】バッテリパックの電気回路としての構成の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００３２】
１００    ラミネート外装電池
１１０    電池ケース
１１１    底板
１１２    天板
１２０    圧力センサ
１５１    組電池
１５２    電圧測定部
１５３    充放電制御回路
１５４    遮断回路
１５８    判別回路
【図１】
2006269345.tif 000003
【図２】
2006269345.tif 000004
【図３】
2006269345.tif 000005
【図４】
2006269345.tif 000006
【図５】
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